摘 要:某未服役高壓加熱器管板與筒節環焊縫產生了密集的橫向裂紋.通過宏觀檢驗、化學 成分分析、硬度測試及金相檢驗等方法對裂紋產生原因進行了分析.結果表明:裂紋位于管板側的 熔合線區域,萌生于熱影響區的粗晶區,主要沿晶界擴展,擴展方向垂直于環焊縫;裂紋具有典型的 氫致裂紋特征,屬于焊接冷裂紋,焊縫冷卻收縮時產生的較大內應力也促進了裂紋的萌生和擴展. 

關鍵詞:２０MnMoNb鋼;管板;環焊縫;橫向裂紋;熱影響區;焊接冷裂紋;氫致裂紋 

中圖分類號:TG４４１．７ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１２Ｇ０８６８Ｇ０５ 

高壓加熱器是火力發電機組回熱系統中的主要 設備,其利用汽輪機抽氣的過熱度及凝結放熱來升 高給水溫度,對提高機組效率和電廠經濟效益具有 重要意義[１].管板是高壓加熱器中的重要部件,用 來排布換熱管并起到分隔管殼空間、避免冷熱流體 混合的作用,通常為大而厚的餅形鍛件[２].

２０MnMoNb鋼屬于合金鋼,作為鍛件材料多用 于制造火電機組的高壓加熱器管板或化工設備中的 換熱器管板.２０MnMoNb鋼中微量的鉬、鈮為強碳 化物形成元素,此碳化物能顯著地阻礙奧氏體晶粒 長大,所以這兩種元素可起到細化晶粒、穩定組織、 提高強度及改善鋼的抗蠕變性能的作用[３Ｇ６].

２０MnMoNb鋼的焊接性相對較差,冷裂紋傾向 敏感,屬于不易焊接材料,需要采取嚴格的工藝措施 才能焊接[７Ｇ９].如龍金明等[１０]在進行２０MnMoNb鋼 厚壁管焊接時,其熱影響區產生了穿透性裂紋.文獻 [４]認為２０MnMoNb鋼焊接的主要問題在于拘束應 力較大的情況下冷裂紋的傾向較大.文獻[５]發現 ２０MnMoNb鋼焊接過程中,當不進行預熱且線能量 較小時,近焊縫區域易產生淬硬組織;當進行預熱且 線能量較大時,熱影響區晶粒易粗大.可見,多種因 素均可能導致２０MnMoNb鋼產生焊接缺陷.

某高壓加熱器管板與筒節環焊縫在焊接后的探傷過程中發現表面存在大量的橫向裂紋(已進行消 氫熱處理,尚未進行焊后去應力熱處理).管板材料 為２０MnMoNb鋼,規格為?２２５０ mm×５７０mm, 筒節材料為１５CrMoR 鋼,壁厚δ 為８０mm.焊縫 采用 R３０７焊條打底,H０８CrMoG 焊絲埋弧自動焊 接.由于２０MnMoNb鋼不易焊接,且影響焊接的 因素眾多,筆者對開裂區域進行取樣分析,查明了裂 紋產生的原因,并提出了預防措施,以避免后續出現 類似問題.

１ 理化檢驗 

１．１ 宏觀檢驗 

對該環焊縫進行磁粉探傷,發現焊縫處存在開口 裂紋.對裂紋進行打磨,發現近表層存在數量較多的 非開口裂紋.采用砂輪對開裂區域磨拋,并使用質量 分數為２０％的硝酸水溶液浸蝕后,觀察到在管板側 熔合線附近密集分布著垂直于焊縫的橫向裂紋,裂紋 長度為３~１０mm 不等,見圖１. 

１．２ 化學成分分析 

對母材及焊縫取樣進行化學成分分析,結果見 表１.管 板 母 材 的 化 學 成 分 滿 足 NB/T４７００８－ ２０１０«承 壓 設 備 用 碳 素 鋼 和 合 金 鋼 鍛 件 »對 ２０MnMoNb鋼的要求,且磷、硫含量較低;焊縫的化 學成分除碳元素略低于標準值外,其他元素均滿足 NB/T４７０１８－２０１１«承壓設備用焊接材料訂貨技術 條件»對 H０８CrMoG 焊絲的成分要求.

２０MnMoNb鋼強度較高,其淬硬傾向和碳當量 有關.文獻[９]計算得到 ２０MnMoNb鋼的碳當量 Ceq＝０．５７７＞０．５,冷裂紋敏感指數Pw＝０．４６＞０,表 明其冷裂紋傾向敏感. 

國際焊接學會推薦的碳當量(％)計算方法為

式中:w 為各元素的質量分數. 冷裂紋敏感指數Pw 的計算方法為

式中:Pcm 為合金元素的敏感系數,％;[H ]為日本 JIS甘油法測定的擴散氫含量,mL??(１００g)－１;R 為 拘束度,kg??mm－２. 

Pcm 按照下式計算

根據表１所示的２０MnMoNb鋼化學成分的實 測值,按照式(１)計算得到碳當量為０．６３,在不計拘 束度和擴散氫含量的情況下,Pw ＞Pcm ＝０．３１.當 管板較厚時,由于結構剛度造成的拘束度較大,Pw 值也會增加.此外焊接時不均勻加熱及冷卻產生的 熱應力、金屬的相變應力等也使得管板焊接容易產 生冷裂紋[１０]. 

１．３ 硬度測試 

對管板母材、熱影響區以及焊縫取樣進行布氏 硬度測試,結果如表２所示.可見管板母材硬度平 均值為１９２HV;熱影響區最大硬度達到２７８ HV, 比母材高８６HV. 

由 碳 當 量 計 算 值 (Ceq ＝０．６３)可 以 看 出, ２０MnMoNb鋼有一定的淬硬傾向.張金昌[１１]研究 發現,鋼的淬硬傾向越大就會出現越多的馬氏體組 織,因而易發 生 脆 性 斷 裂.顧 溥 錦[１２]等 研 究 發 現 ２０MnMoNb鋼 的 淬 硬 組 織 為 馬 氏 體,其 硬 度 為 ４５０HB.肖銀生[７]等研究發現,當２０MnMoNb鋼 管板的熱影響區中出現馬氏體淬硬組織時,熱影響 區硬度值最大為４４６ HV;當熱影響區組織為粒狀 貝氏體時,其硬度值最大為２９３HV;當熱影響區組 織為板條貝氏體＋粒狀貝氏體時,其硬度值最大為３２８HV;當熱影響區組織為回火貝氏體時,其硬度 值最大為２５３HV. 

從表２所示的硬度實測值來看,熱影響區的硬 度遠低 于 ２０MnMoNb 鋼 中 淬 硬 馬 氏 體 組 織 的 硬 度,且焊縫處于未去應力熱處理狀態,該硬度值處于 正常范圍內.

１．４ 金相檢驗 

在裂紋區截取 試 樣 進 行 金 相 檢 驗,可 見 裂 紋 產生于焊 接 熱 影 響 區,尖 端 較 為 尖 銳,沿 垂 直 于 熔合線 方 向,向 熱 影 響 區 的 細 晶 區 (FGHAZ)及 焊縫擴展;裂 紋 在 焊 縫 內 部 為 穿 晶 裂 紋,在 熱 影 響區的 粗 晶 區 (CGHAZ)主 要 為 沿 晶 裂 紋,符 合 焊接冷裂紋 的 特 征,見 圖 ２. 熱 影 響 區 的 粗 晶 區 顯微組 織 為 板 條 貝 氏 體,而 不 是 ２０MnMoNb鋼 典型的焊接淬硬組織[１２],這與熱影響區硬度實測 值是對應的.

１．５ 斷口分析 

使用掃描電鏡對裂紋處進行斷口形貌分析,可以 看到母材和焊縫均存在韌窩,見圖３a).熱影響區的 粗晶區以沿晶開裂為主,存在少量準解理開裂,斷口 整體呈冰糖狀,存在晶界間的撕裂脊,是典型的脆性 斷裂,見圖３b).熱影響區的細晶區斷裂形式為沿晶 和穿晶混合開裂,斷口上存在河流花樣或準解理花樣 以及大量的二次裂紋,見圖３c).斷口中還可觀察到 “人”字形花樣,為氫致開裂特征,見圖３d).

２ 分析與討論 

焊接冷裂紋包括延遲裂紋(氫致裂紋)與淬硬裂 紋,主要發生在高、中碳鋼及中、低合金高強度鋼的 焊接熱影響區,影響因素主要有拘束應力、淬硬組織 和氫元素等[１０].氫致開裂是指有相當延性的材料 在低于屈服強度的恒定拉應力作用下發生的脆性斷 裂.這種開裂有一定的抗拉強度閾值,此值與氫的 逸度和合金元素有關,且材料的強度越高,閾值越低.氫致開裂的基本條件為鋼中的氫能沿著濃度梯 度或應力梯度方向自由擴散.金屬中的氫元素來源 主要有兩種:一是在材料制造過程中進入的氫,這種 在材料使用之前就存在于金屬內部的氫,其含量或 者不斷減少或者保持不變,但不會增加,其分布可能 會發生改變;二是使用過程中從周圍液相或氣相環 境進入到材料內部的氫[１３].氫由金屬內部向外部 擴散時,會遇到某些“陷阱”(如顯微雜質和微孔等) 而發生聚集,并由原子態轉為分子態,這會形成較大 的內應力,從而促使原有的微觀缺陷不斷擴大,直至 形成宏觀裂紋[１４]. 

化學成分分析結果表明,焊材的化學成分符合 標準 要 求,但 ２０MnMoNb 鋼 有 一 定 的 淬 硬 傾 向. 熱影響區的硬度比母材高約７０ HB,這是由于焊縫 僅進行了３００~４００ ℃保溫３~４h的焊后消氫處 理,而未進行焊后去應力熱處理.馮干江[１５]等對貝 氏體鋼回火溫度與硬度值的研究表明,當回火溫度 低于４５０℃時,其硬度值基本不變,因而測得的熱影 響區貝氏體組織的硬度值是正常的.金相檢驗表 明,裂紋萌生位置在熱影響區的粗晶區,主要以沿晶 方式擴展,部分為穿晶擴展.斷口分析表明,熱影響 區的粗晶區為脆性斷裂,細晶區存在較多的二次裂 紋,且存在典型的 “人”字形氫致開裂花樣. 

２０MnMoNb鋼管板在焊接時,要求預熱溫度為１５０~２００ ℃,若預熱溫度偏低,則材料的淬硬傾向 增加,且不利于氫的擴散,易產生冷裂紋[１４].焊接 工藝要求焊接完成后立即進行焊后消氫處理,若處 理溫度及時間不足,也不利于氫的擴散,易產生冷裂 紋.該管板焊接時間長,需要３２h才能完成焊接, 這使得后續消氫處理不能及時進行,增加氫致開裂 的傾向.此外,焊接時空氣中的濕氣對焊接金屬的 擴散氫含量有直接影響[１６],當空氣濕度較大時,若 焊接工藝執行不當,也可能對焊接產生不利影響.

橫向 裂 紋 的 產 生 與 結 構 剛 性 及 焊 接 應 力 有 關[１７].管板規格為?２２５０ mm×５７０ mm,屬于大 而厚的鍛件,與８０mm 厚的筒身焊接時拘束應力較 大.焊接金屬收縮時會產生較大的內應力,也就是 說由于焊縫收縮,與焊縫環向鄰近的熱影響區會受 到拉應力,為橫向裂紋的產生提供了條件.

３ 結論及建議 

(１)該高壓加熱器管板焊接裂紋萌生于焊接熱 影響區的粗晶區,擴展方式主要為沿晶擴展,部分為 穿晶擴展,焊接熱影響區未出現淬硬組織;該橫向裂 紋為氫致裂紋,屬于焊接冷裂紋,為焊后氫元素擴散 不充分所致,加之該管板為大型鍛件,焊縫冷卻收縮 時產生的較大內應力也促進了裂紋的萌生和擴展. 

(２)嚴格按照工藝要求施焊是控制焊接質量的 關鍵.焊接返修時也需要嚴格按照工藝要求進行操 作.當手工進行補焊時,焊條應烘干后使用,并嚴格 控制預熱溫度,焊后需立即按要求進行消氫熱處理, 以有效避免焊接冷裂紋的產生[１８Ｇ１９].

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<文章來源 > 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 55卷 > 12期 (pp:868-872)>